基于雾封层技术分析再生沥青的感温性*

雷正阳 汪福松 常郗文

(1.广东省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭阳 515325； 2.武汉理工大学材料科学与工程学院 武汉 430070)

随着我国道路交通建设事业的飞速发展，截止2016年年底，我国公路总里程已达469.63万km，公路养护里程459.00万km，占公路总里程97.7%[1]。沥青路面由于具有行车平稳舒适、低噪音、易施工维护等优点而被广泛应用，但在各种复杂环境、气候条件、交通荷载等因素的影响下，沥青路面不可避免地出现了各类病害，导致其各项路用性能及服役寿命大打折扣。

应用于沥青路面工程的预养护技术中，雾封层施工工艺简单，开放交通迅速，是预防公路早期破坏最有效的技术之一，且雾封层技术自身具有系统、严密、工艺精确、效果良好的施工技术特点，方便在国内沥青路面预防性养护中推广应用[2-3]。

雾封层技术是将沥青路面养护剂等流体状材料喷洒到沥青路面，从而封闭路面空隙并稳定松散集料。特别是专用沥青再生处治材料(再生剂)的出现，极大地提高了雾封层预养护对路面老化沥青的再生养护效果。再生剂材料可扩散到旧沥青路面结构中，通过更新或还原表面已氧化的沥青材料而激活老化沥青[4]，然后降低沥青胶结料的老化程度并部分恢复其抗变形性能、延长路面使用寿命。

本文选取2种商用沥青再生剂A和B对老化沥青的再生性能进行评价，首先在实验室通过分析A和B自然蒸发曲线，确定2种再生剂中易挥发小分子组分的相对含量高低，然后通过沥青动态剪切流变仪(DSR)和弯曲梁流变仪(BBR)对样品的感温性进行评价，从而判断2种再生剂对老化沥青的高、低温性能影响，进而确定其适宜掺量，判定2种再生剂对老化沥青的再生性能。

1 材料与研究方法

1.1 材料

本研究使用的2种沥青再生剂的基本参数见表1，实验中所用沥青为AH-70号道路石油沥青，各项基本参数见表2。

表1 2种再生剂A和B的基本参数

表2 AH-70号沥青基本参数

1.2 研究方法

1.2.1自然蒸发实验

在实际工程应用中，再生剂长时间受自然环境的作用，很多组分会在紫外线、雨水冲刷等因素影响下产生氧化并加速挥发[5]，而留在沥青混合料中起再生效果的成分逐渐减少，对路面的修复功效也逐渐减弱，根据其自然蒸发的残留成分量，可以判断再生剂在旧沥青路面中发挥再生作用组分的量的变化规律。本实验在旋转烘箱中分别放入2种再生剂A和B并恒温60 ℃，间隔时间t称量其质量变化情况，得出自然蒸发曲线，见图1。

图1 再生剂A、B自然蒸发曲线

1.2.2感温性能

由于实验是基于雾封层技术探究再生剂的性能，故根据养护实施原理，将老化沥青表面全部涂抹再生剂作为添加的最大掺量，由于球体比表面积最小，所以将一定质量沥青成型为球状，然后称量浸入再生剂前后的质量差，得到A与B的最大掺量分别为沥青的8.4%和10%。实验按照最大掺量进行3等分作为掺加的梯度对比，见表3。

表3 再生剂掺量占沥青质量分数表 %

1) DSR测试。沥青是一种粘弹性材料，其性能参数具有较大的温度依赖性，而反映沥青这种性能参数随温度变化程度的感应性称为感温性[6]。动力剪切流变仪(DSR)是SHRP试验中评价沥青材料高温及抗疲劳性能的重要试验方法，其基本原理见图2。实验目的是探究样品高温流变性，故选择温扫模式，试验具体参数见表4。

图2 DSR基本原理示意图

表4 高温温度扫描参数

试验考察不同样品在30～80 ℃内复数剪切模量G*和相位角δ变化规律，然后取车辙因子的常用对数lg(G*/sinδ)与温度做线性回归，线性回归方程见式(1)，对回归方程斜率的绝对值(GTS)变化规律进行分析，GTS值越小，说明G*/sinδ随温度变化幅度越小，则再生沥青在高温条件下的感温性能越好。

(1)

式中：G*/sinδ为车辙因子，kPa；t为温度，℃；K1为回归常数;GTS为方程斜率的绝对值。

2) BBR测试。低温开裂为我国北方地区沥青路面的主要破坏形式之一，由于气候寒冷昼夜温差较大，沥青混合料中形成的温度应力若超过路面材料的极限抗拉强度，则会产生开裂破坏[7]。沥青的低温性能评价方法中BBR试验主要测量沥青小梁试件在蠕变荷载作用下的劲度,其基本原理见图3所示。

图3 BBR基本原理示意图

根据SHRP性能规范要求，60 s时的劲度模量S不大于 300 MPa，m值不小于0.30，试验在-12 ℃条件下考察样品的低温抗裂性能，并可得到2个数据：S即蠕变劲度模量，表示沥青混合料抵抗永久变形的能力；m即蠕变速率，表示沥青在低温时应力松弛能力。

2 分析与讨论

2.1 自然蒸发曲线实验

由图1自然蒸发曲线可知，在60 ℃的条件下，再生剂A、B在90 min之前，挥发速率很快，在100～150 min时间段内2条曲线的斜率绝对值均减小得很快，随后再生剂的挥发速率均逐渐减小，趋于不变；图中A的挥发量一直低于B，而道路沥青在服役过程中产生老化，其内部组分变化主要趋于沥青质增加，而轻质组分如饱和酚和芳香酚含量减少[8-10]，故分析预测再生剂B中产生主要调和作用的轻质组分含量更高，对恢复老化沥青化学组成之间的配伍性有更好的效果，然而在外界温度升高的过程中，B的有效成分会迅速减小，推测其耐高温性能比A差，而在中低温环境下其再生性能优于A。

2.2 动态剪切流变试验

沥青路面在高温条件下需要有足够的弹性，进而利于弹性形变的恢复，因此在SHRP规范中用车辙因子G*/sinδ来评价沥青的高温性能。在一定高温条件下，G*/sinδ越大表明沥青的抗车辙性能越好，耐高温性能更优。图4是8种样品DSR测试的高温车辙因子情况。

图4 高温条件下各样品车辙因子

由图4可以看出，在30～55 ℃区间内，各样品车辙因子从大到小排列顺序依次是：原样>老化样>B3样>B2样>A3样>B1样>A2样>A1样,而在55～80 ℃区间，8组样品的车辙因子均趋于0。分析对比曲线的走向可得以下结论。

1) 再生剂A、B对老化沥青的高温抗车辙性能未有提升作用，且随着A，B的加入其车辙因子会不同程度地减小。这是因为沥青再生剂主要成分是轻质油性物质，其作用主要是将老化变硬的沥青软化，同时沥青老化过程中其饱和酚和芳香酚的含量会减少，而沥青质含量会变大，所以添加再生剂起组分调和作用，然而高温抗车辙性能是评价沥青在高温情况下复合模量能否变大，即在相同应力下要求应变越小越好，再生剂的加入使沥青变软则会让复合模量变小，因此曲线反映出的流变性能变化规律正确。

2) 再生剂B的高温抗车辙性能优于A，但随着再生剂掺量的增大，A和B抗车辙性能均会下降。这是因为随着温度的升高，A残留在沥青中的有效成分比B多一些，即A对老化沥青的软化效果更强一些，故A的复合模量较小，同理随着掺量的递增，再生剂的有效成分也会递增，即软化效果也会一同升高，所以其抗车辙能力弱一些。

3) 在55～80 ℃高温条件下，各组样品基本均为流体状态，加入再生剂后对沥青的作用效果甚微。这是因为再生剂主要成分是低标号的沥青和轻质油分，在55～80 ℃下其有效成分基本与沥青组成成分一样，区别效果难以对比。

对车辙因子的常用对数lg(G*/sinδ)进行线性回归拟合，根据式(1)可得具体参数见表5。

表5 各样品GTS

表中GTS值最大为老化样，最小为B1样品，同时A系列样品普遍比B系列样品的GTS值低。分析对比各GTS值可得以下结论。

1) 再生剂在高温条件下对样品的感温性能有提升作用，且在掺加A和B后老化沥青的高温感温性能得到大幅提升，普遍超过原样基质沥青。这是由于掺加再生剂后，老化沥青的轻质组分含量上升，使老化沥青的路用性能、流变性、温度敏感性等均有不同程度的提升。

2) A系列再生剂GTS值均低于B，即其高温感温性高于B，且随着2种再生剂掺量的递增，其高温感温性也呈现递增规律。这是因为A系列高温条件下蒸发残留成分高于B，故而扩散改善老化沥青的效果增强。同理再生剂的掺量递增，激活老化沥青的效果也强一些。

3) 沥青老化样的GTS最大值为0.063 5，A再生剂掺量最大时得到最小GTS值0.064 1，说明沥青材料在一定服役年限后通过喷洒合适再生剂，可提升其高温温度敏感性。

2.3 弯曲梁流变试验

8组样品进行BBR试验得到的蠕变劲度模量S和蠕变速率m值数据，分析对比各样品S值见图5，可得如下结论。

1) 2种再生剂掺入对沥青的低温抗裂性能均有较好的改善作用。这是因为再生剂渗透扩散进老化沥青后，可较好地调节各个组分含量，中低温条件下能够提升其粘弹性，改善其低温抗裂性能。

2) 再生剂A的S值普遍小于B，说明低温条件下再生剂A对老化沥青的软化再生效果比B要强一些。S值越小表示在同等应力条件下应变越大，即沥青在低温条件下有合适柔性避免过脆而断裂。

3) 2种再生剂的掺量越多，其S值越小，这表示在一定掺量范围内(小于沥青质量10%)，再生剂掺加越多，与沥青相互扩散作用的再生成分越多。对老化沥青的再生效果越好。

图5 各样品的S值

分析对比表中各样品m值绘制成图6，可得以下结论。

1) 再生剂B对老化沥青的m值改善效果更明显，而再生剂A在低温条件下对m值改善效果不佳。同时随着2种再生剂掺量的增加，A的m值变化规律性不强，说明再生剂A对低温条件下样品的感温性能效果不明显。

2) A在低温条件下m值普遍低于老化沥青样品，且在掺量为沥青质量5.6%时得到最小m值，这说明A在低温条件下对老化沥青的感温性没有提升效果。同时，B在低温条件下m值普遍高于原样沥青，且在掺量为沥青质量5.6%时得到最大m值，说明B在低温条件下有良好的感温性。表明沥青材料在一定服役年限后通过喷洒合适再生剂，能够提升其温度敏感性和蠕变速率。

图6 各样品m值

3 结论

沥青路面预养护技术发展对道路建设施工等各方面均有极大影响，而制备高效沥青再生剂并对其再生效果做出有效评价,是对路面进行有效预养护工作的前提。本文通过沥青感温性分析,协同评价再生剂的再生效果,为以后公路建设预养护提供参考。

自然蒸发曲线分析结果表明，再生剂B中的易挥发组分量高于A，则在实际应用过程中，B所含的轻质易挥发组分高于A，有效的再生调和组分含量高于A，对老化沥青的再生效果更优。

感温性能实验结果表明，高温条件下再生剂对老化沥青的耐高温性能改善效果不佳，但再生剂A可较好地提升老化沥青的感温性；低温条件下，2种再生剂对老化沥青的抗裂性能均有提升，且再生剂B对低温感温性有很好的改善效果。综合感温性能试验可知，在年均温度较高的地区适宜用再生剂A，而在年均温度较低如我国北方地区，适宜用再生剂B进行养护再生。

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